Способ повышения быстродействия операционных усилителей с непосредственной связью каскадов

Изобретение относится к радиотехнике и связи для использования в устройствах усиления широкополосных и импульсных сигналов в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения. Технический результат заключается в повышении быстродействия в 5-10 раз с использованием микронной технологии с топологическими нормами больше либо равными 1,5-2 мкм. Этот результат достигается тем, что формируют дополнительный зарядно-разрядный ток корректирующего конденсатора (3) (фиг.3), пропорциональный разности (8) между текущим значением напряжения на корректирующем конденсаторе и мгновенным выходным напряжением вспомогательного дифференциального каскада (6), идентичного нелинейному входному дифференциальному каскаду (1) с ограничением выходного тока и подключенного к его входам (4, 5). 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может найти применение в устройствах усиления широкополосных и импульсных сигналов с глубокой обратной связью в операционных усилителях, а также в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.

В настоящее время типовые микроэлектронные операционные усилители с непосредственной связью каскадов, являющиеся основой построения многих аналоговых измерительных и вычислительных систем, выполняются в соответствии со структурной схемой фиг.1. Она содержит нелинейный входной дифференциальный каскад ДУ1, имеющий ограничение выходного тока на уровне I₀ при входных сигналах, больше чем U_гр. Для классических ДУ U_гр≈50 мВ [В.В.Матавкин Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис. 6.11. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979., Д.Е.Полонников. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с.]. Нагрузкой входного ДУ1 являются корректирующий конденсатор (С_к) и буферный усилитель (БУ). Как показано в [В.В.Матавкин. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис. 6.11. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979] из-за нелинейных режимов работы входного каскада ДУ1 операционные усилители с архитектурой фиг.1 имеют небольшие значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения V_u.

V_u=2·π·f₁·U_гр

где f₁ - частота единичного усиления ОУ, формируемая емкостью С_к.

U_гр - напряжение ограничения входного каскада.

Так при типовых параметрах f₁=50 МГц и U_гр=50 мВ максимальная скорость нарастания выходного напряжения не выше, чем V_u=25 В/мкс. Для улучшения динамических параметров в нелинейном режиме в современных ОУ используется широко известный способ повышения V_u, заключающийся в формировании дополнительного тока заряда (разряда) i_доп корректирующего конденсатора С_к с помощью параллельного канала ПК (фиг.2). При этом параллельный канал ПК может быть как линейным [Д.Е.Полонников. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с.], так и нелинейным [Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979], а формирующийся с помощью ПК дополнительный ток i_доп пропорционален разности напряжений на входах ДУ1. В схемах с непосредственной связью каскадов параллельный канал ПК всегда отличается по схемотехническим, энергетическим и другим параметрам от входного каскада ДУ1. Это является принципиальной особенностью известного способа повышения быстродействия ОУ, анализ которого рассмотрен в работах [В.В.Матавкин Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис. 6.11., Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. М. РадиоСофт, 2002 г., стр.65, Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979]. Схемотехнике ПК и ДУ1, реализующих известный способ повышения быстродействия, а также их функциональной интеграции посвящено более ста патентов ведущих микроэлектронных фирм.

Недостаток известного способа состоит в том, что его эффективность существенно зависит от напряжения ограничения параллельного канала U^* _гр [Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979], что требует специального построения ПК, отличного от построения ДУ1. Это отрицательно сказывается на технологических, энергетических, статических и других параметрах ОУ, реализующих известный способ повышения быстродействия, так как ПК и ДУ1 в ОУ фиг.2 не могут иметь одинаковый диапазон активной работы (должно быть U^* _гр≫U_гр). При идентичных ПК и ДУ1 известный способ повышения быстродействия неэффективен - в этом случае максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ будет небольшой (V_и=2·π·f₁·U_гр).

Сущность заявляемого способа повышения быстродействия ОУ в режиме большого сигнала заключается в изменении алгоритма получения дополнительного зарядно-разрядного тока i_доп, который предлагается формировать как величину, пропорциональную разности между текущим значением напряжения на корректирующем конденсаторе С_к и выходным напряжением вспомогательного дифференциального каскада, который выбирают идентичным (прежде всего по динамическим параметрам) входному дифференциальному каскаду. В частных случаях текущее значение напряжения на конденсаторе С_к определяют путем измерения напряжения на выходе буферного усилителя, а коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя выбирают близким к единице.

На чертеже фиг.3 изображена структурная схема операционного усилителя, реализующего предлагаемый способ повышения быстродействия.

На чертеже фиг.4 приведена схема ОУ фиг.3, в которой раскрыто построение подсхемы 8. На чертеже фиг.5 показаны временные диаграммы, поясняющие сущность заявляемого способа повышения быстродействия при его использовании в схеме ОУ фиг.4. Кривая "А" - выходное напряжение ОУ при i_доп=0. "В" - выходное напряжение в узле "7". "С" - выходное напряжение в ОУ с заявляемым способом повышения быстродействия. На чертежах фиг.6-8 приведены другие частные варианты построения ОУ, реализующие заявленный способ повышения быстродействия. В схеме фиг.6 входной дифференциальный каскад 1 содержит подсхему А1, источники тока I1, I2, транзисторы VT1, VT2 и повторитель ПТ2. Вспомогательный дифференциальный каскад 6 включает элементы А1, I1, I2, VT1, VT2 и повторитель тока ПТ1. Дополнительный дифференциальный каскад 8 реализован на транзисторах VT3, VT4 и повторителях тока ПТ3, ПТ4. В схеме фиг.7, которая иллюстрирует частный случай применения заявляемого способа повышения быстродействия в ОУ Rail-to-Rail, дополнительный дифференциальный каскад 8 включает буферные усилители БУ1, БУ2, транзисторы VT1, VT2 и повторители тока ПТ1, ПТ2. Этот каскад сравнивает напряжение на конденсаторе 3 (С_к) с напряжением на выходе 7 каскада 6. Выходной каскад 2 выполнен на транзисторах VT3 и VT4.

В схеме фиг.8 дополнительный дифференциальный каскад 8 содержит транзисторы VT5, VT6 и повторители тока ПТ3, ПТ4. Входной дифференциальный каскад 1 включает ДУ1, транзисторы VT1, VT2 и повторитель тока ПТ1. Вспомогательный дифференциальный каскад 6 выполнен на основе ДУ1, VT3, VT4 и ПТ2. На чертеже фиг.9 показана структурная схема ОУ, реализующего заявляемый способ повышения быстродействия, которая была исследована авторами в среде PSpice. При этом в качестве идентичных подсхем DA1 (1), DA2 (6) был использован иерархический блок, схема которого раскрыта на чертеже фиг.10.

Диаграммы фиг.11 иллюстрируют эффективность заявляемого способа повышения быстродействия при различных соотношениях емкости коррекции С_к (3) и инерционности параллельного канала в ОУ фиг.9, которая изменяется за счет емкости С_к2.

Диаграммы фиг.12 характеризуют эффективность предлагаемого способа повышения быстродействия при разных значениях крутизны подсхемы 8, которая в схеме фиг.9 существенно зависит от сопротивления резисторов R1=R2.

Операционный усилитель, реализующий предлагаемый способ (фиг.3), содержит нелинейный входной дифференциальный каскад 1 с ограничением выходного тока, выход которого связан с буферным усилителем 2 и корректирующим конденсатором 3. Ко входам 4 и 5 каскада 1, которые являются входами ОУ, подключен вспомогательный дифференциальный каскад 6, выход которого 7 соединен со входом дополнительного дифференциального каскада 8. Токовый выход каскада 8 подключен к корректирующему конденсатору 3. Второй вход 9 каскада 8 связан с выходом ОУ 10. В схеме фиг.4 дополнительный дифференциальный каскад 8 реализован на транзисторах VT1, VT2, резисторах R1, R2 и повторителях тока ПТ1, ПТ2. Этот каскад характеризуется зоной нечувствительности U_П=±0,6-0,7В, которая проявляется на характеристике i_доп=f(u₇₉).

Рассмотрим заявляемый способ на примере анализа работы устройства фиг.2 и 4 для случая, когда каскады 1 и 6 идентичны - имеют малый диапазон активной работы (U_гр=50 мВ), а также близкие значения параметров, характеризующие их частотные свойства и динамические характеристики при отработке входного импульсного сигнала. Для обеспечения устойчивости на выходе каскада 1 включается корректирующий конденсатор 3, который в соответствии с [Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. -Рис. 6.11. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979, Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с.] является самым инерционным элементом в канале передачи сигнала "каскад 1-буферный усилитель 2". В то же время корректирующая емкость на выходе каскада 6 отсутствует, что позволяет, несмотря на нелинейности, обеспечить более быстрое изменение напряжения на его выходе при работе с импульсными сигналами на входах 4 и 5 (фиг.5, кривая "В").

При работе замкнутого ОУ фиг.3 и 4 с импульсными входными сигналами большой амплитуды на входах 4 и 5 образуется напряжение ошибки, которое переводит каскады 1 и 6 в режим ограничения выходного тока [В.В.Матавкин Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис. 6.11. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979., Д.Е.Полонников. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с.]. В результате на начальном участке переходного процесса напряжение на конденсаторе 3 имеет малую крутизну (фиг.5, кривая "А"), а напряжение на выходе каскада 6 имеет значительно большую производную (фиг.5, кривая "В"), так как паразитная емкость С^* _к на выходе каскада 6 достаточно мала:

где I₀ - максимальный выходной ток (ток ограничения) каскада 6;

- скорость изменения напряжения на выходе каскада 6.

Поэтому зависимость выходного напряжения каскада 6 от времени (кривая "В", фиг.5) определяется формулой

С другой стороны, скорость изменения напряжения на конденсаторе 3 (С_к)

где I₀ - максимальный выходной ток (ток ограничения) каскада 1, который идентичен каскаду 6.

Поэтому зависимость выходного напряжения каскада 1 от времени (кривая "А", фиг.5) определяется формулой

Таким образом, без каскада 8 разность напряжения на выходе каскада 6 u^* _ск и напряжения на конденсаторе 3 (u_ск) изменяется по закону

где

Как только величина ΔU₇₉ достигает порога включения транзистора VT1 (время t₁, U_п=0,6÷0,7В) в активный режим входит транзистор VT1 (фиг.4), его коллекторный ток возрастает пропорционально разности ΔU₇₉, создавая дополнительный ток i_доп, который форсирует процесс заряда конденсатора 3 (С_к).

При t>t₁ напряжение u_ск на конденсаторе 3 (С_к) начинает изменяться по такому же закону, что и напряжение u^* _ск на выходе каскада 6, то есть имеет производную

которая в n раз больше производной напряжения на конденсаторе 3 (С_к) при t<t₁.

По мере приближения u_вых к установившемуся значению U_вых разность напряжений ΔU₇₉ уменьшается, транзистор VT1 (каскад 8) выключается и переходит в режим малых статических токов.

Таким образом, эффективность предлагаемого способа повышения быстродействия зависит от того, насколько эквивалентная емкость на выходе каскада 1 больше эквивалентной емкости на выходе каскада 6. В практических схемах это соотношение может достигать значения в диапазоне 5-20 раз. То есть предлагаемый способ повышения быстродействия позволяет значительно улучшить максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ без ужесточения требований к диапазону активной работы каскадов 1 и 6, которые могут выполняться по традиционным схемам.

На фиг.9 приведена функциональная схема компьютерной модели ОУ, в которой использован заявляемый способ повышения быстродействия. На входе ОУ фиг.9 стоят два идентичных каскада 1 и 6 с различным быстродействием, определяемым параметрами {Rk}, {Ck} для DA1 и {Rk}, {Ckncc}=C^* _к для DA2. В качестве транзисторов Q1-Q6 использованы PSpice модели биполярных транзисторов ГУП НПП "Пульсар" (г.Москва). Диапазон активной работы каскадов DA1 (1), DA2 (6) задается с помощью параметра {Vdis}=25 мВ, выходное сопротивление каскадов - {Rk}, крутизна преобразования "напряжение-ток" - {Rs}. На фиг.10 приведена принципиальная схема идентичных каскадов DA1 (1) и DA2 (6). На фиг.11 показана зависимость максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ фиг.9 в зависимости от величины корректирующей емкости С^* _к (параметр {Ckncc}) при постоянном значении корректирующей емкости 3 основного канала С_к=20рF (параметр {Ck}).

На фиг.12 приведены графики переходных процессов в ОУ фиг.9 при R1=R2=50 Ом и R1=R2=∞. Как следует из графика фиг.12, применение предлагаемого способа повышения быстродействия позволяет увеличить V_u в 5,5 раз. Причем этот эффект достигается без применения каскадов с расширенным диапазоном активной работы, что невыполнимо в известных способах повышения быстродействия.

1. Способ повышения быстродействия операционного усилителя с непосредственной связью каскадов, содержащего нелинейный входной дифференциальный каскад с ограничением выходного тока, выход которого связан с буферным усилителем и корректирующим конденсатором, заключающийся в формировании с помощью дополнительного дифференциального каскада тока заряда (разряда) корректирующего конденсатора, отличающийся тем, что дополнительный ток заряда (разряда) корректирующего конденсатора формируют пропорционально разности между текущим значением напряжения на корректирующем конденсаторе и мгновенным выходным напряжением вспомогательного дифференциального каскада, идентичного нелинейному входному дифференциальному каскаду с ограничением выходного тока и подключенного к его входам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущее значение напряжения на корректирующем конденсаторе определяют путем измерения выходного напряжения буферного усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого выбирают близким к единице.